Состав основных компонентов древесины и их поведение при термическом воздействии.

 

Горение твердого горючего требует, обычно, химического разложения, в результате которого образуются летучие продукты (газы, пары, пылевидные частицы), которые могут поступать в пламя и сгорать в нем. Для начала горения требуется воздействие внешнего теплового потока.

Древесина начинает терять свой цвет и обугливаться при температуре свыше 200-250оС, а при достаточно длительном нагреве указанные процессы могут происходить и при температуре выше 120оС. При температуре свыше 300оС начинается быстрое физическое разрушение древесины. Этот процесс начинается на поверхности углистого остатка с появлением слабых трещинок, перпендикулярных направлению волокон, что позволяет летучим продуктам легко просачиваться через поврежденную поверхность из слоя, где произошло образование этих продуктов. По мере увеличения углистого слоя трещины будут расширяться, что рано или поздно приведет к характерной картине расщепления и растрескивания поверхности.

Древесина является неоднородным материалом, к тому же многие его свойства зависят от направления, в котором они измеряются. По своей природе, древесина – смесь природных полимеров с большой молекулярной массой, важнейшими из которых являются целлюлоза (около 50%), гемицеллюлоза (около 25%), лигнин (около 25%). Кроме того, древесина содержит поглощенную влагу.

Термогравиметрический анализ разложения древесины показал, что различные ее составляющие распадаются с выделением летучих компонентов при различных характерных температурах: гемицеллюлоза при 200-260оС, целлюлоза при 240-350оС, лигнин при 280-500оС. Различно и соотношение между летучими продуктами и образующимся углистым остатком. Так, лигнин нагретый до температуры 400-500оС на 50% преобразуется в летучие продукты и на 50% в углистый остаток. С другой стороны, чистая целлюлоза при нагревании до 300оС дает лишь 5% углистого остатка. Правда при наличии неорганических примесей (например, различных солей) выход углистого остатка в целлюлозе может достигать и 40%. На этом основано антипирирование древесины, сводящееся к пропитке растворами минеральных солей. Обычно при сжигании или нагреве древесины при 450 оС на углистый остаток приходится 15-25% (в основном, за счет лигнина). При изменении выхода углистого остатка изменяется и состав летучих компонентов.

Все эти факторы оказывают значительное воздействие на процесс горения древесины, а именно на такую особенность древесины, как способность к тлеющему горению. Как известно, склонностью к тлению обладают только пористые материалы, которые при сгорании способны образовывать твердый углистый остаток.

Возможны два пути возникновения тлеющего горения в древесине. Один из них – это тление, сменяющее пламенное горение. При воспламенении фронт обугливания постепенно передвигается вглубь древесины, при этом выделяются все новые порции горючих летучих веществ, которые сгорают в виде пламени.

Когда древесина обуглится на существенную глубину, углистый слой становится экранирующей защитой для древесины, находящейся под ним, в результате чего, для обеспечения теплового потока, необходимого для образования летучих продуктов требуются более высокие температуры поверхности. В результате может сложиться такая ситуация, когда летучих начинает не хватать для поддержания пламенного горения, пламя над поверхностью древесины затухает и начинается вторая стадия - беспламенное (гетерогенное) горение угля - тление. Гетерогенным такое горение называется потому, что газовая фаза (кислород воздуха) взаимодействует уже не с газообразными продуктами пиролиза, а непосредственно с твердой фазой - углем.

Уголь может гореть (тлеть) вплоть до полного сгорания - до золы, т.е. пока участок конструкции не выгорит полностью или не образуется прогар.

По другому пути, при относительно мало интенсивном тепловом воздействии на де­ревянные конструкции количество выделяемых летучих продуктов недостаточно для достижения нижнего концентрационного предела распространения пламени. Пламенное горение может вообще не возникнуть. Выгорание конструкции будет происходить в режиме тления вплоть до полного выгорания или, в случае изменения внешних условий теплового воздействия или воздухообмена до перехода в пламенное горение.

Для целей пожарно-технической экспертизы очень важно уметь устанавливать осуществлялось ли горение в режиме тления или в режиме пламенного горения. Температура воспламенения большинства сортов древесины находится в пределах 240-260 оС. Температура же, при которой могут начаться процессы, способные привести к тлеющему горению при достаточной длительности теплового воздействия, как уже указывалось, могут быть в пределах 120 оС. Отсюда может вытекать очень важный вывод об источнике зажигания – если процесс горения начинался с тления, то источник зажигания мог иметь малую мощность.

Визуальные признаки термических поражений на конструкциях из древесины.

 

В результате термического воздействия формируются следы термических поражений древесины, которые последовательно проходят следующие стадии:

1) Потемнение древесины.

2) Обугливание на различную глубину.

3) Полное выгорание, которое может наблюдаться в отдельных зонах деревянной конструкции (сквозные прогары), или полное выгорание всей конструкции.

Внешний вид угля при обугливании.

Уголь рыхлый, с крупными трещинами образуется обычно при интен­сивном пламенном горении.

Уголь плотный, с коричневатым оттенком и даже сохранившейся текс­турой древесины (рисунком годовых колец) образуется при низкотемпера­турном пиролизе (тлении), когда процесс обугливания происходит медлен­но и летучие выделяются понемногу, уходя через мелкие трещины и не разрыхляя уголь.

Глубина обугливания

Оценить степень термических поражений древесины можно измерением глубины обугливания. При этом решаются следующие задачи:

- оценивается изменение степени термического поражения по длине и высоте конструкции.

- определяется направленность теплового воздействия или более интенсивного теплового воздействия (из результатов измерения глубины обугливания с разных сторон деревянного столба, показанного на рис..., следует, что наиболее интенсивному нагреву он подвергался с правой стороны).

Информация о глубине обугливания деревянных конструкций в различ­ных зонах пожара обязательно должна присутствовать в протоколах осмотра места пожара. Недопустимы общие фразы типа "деревянные стойки обуг­лены"; было бы странно, если бы в зоне горения они не были обуглены.

Как измерить глубину обугливания древесины?

Делается это с помощью любого острого металлического предмета

- шила, гвоздя, металлической линейки - методом пенетрации (протыкания). Металлический предмет достаточно свободно протыкает уголь, но хуже входит в более плотную древесину. Правда, таким способом сложно измерить толщину слоя угля при минусовых температурах после тушения водой. При плюсовых температурах или после размораживания угля на локальном участке сделать это не представляет трудностей.

Лучше всего измерять глубину обугливания с помощью колумбуса - штангенциркуля-глубиномера, который имеет выдвижной хвостовик. Такой штангенциркуль обязательно должен иметь с собой дознаватель или инженер ИПЛ - он пригодится не только при измерении глубины обугливания, но и при производстве других измерений.

Схема измерения глубины обугливания приведена на рис...

Обратим внимание, что кроме толщины слоя угля h_у, в точке измере­ния следует определить величину потери сечения конструкции h_п. А глу­бина обугливания Н рассчитывается как сумма этих двух величин:

 

H = h_у + h_п

 

Измеренные на месте пожара величины Н можно и нужно использовать как критерий степени термического поражения древесины в различных зо­нах пожара.

Известно, что в условиях специальных испытаний - при сжигании древесины в огневых печах по стандартному температурному режиму пожара- скорость обугливания ее вглубь составляет 0,6-0,8 мм/мин. Однако, горючесть древесины, очевидно, зависит от действующего на нее теплового потока. Тем не менее, в пожарно-технической экспертизе часто руководствуются скоростью выгорания древесины 0,6 мм/мин, а то и округляют ее для простоты равной 1 мм/мин, некоторые специалисты ИПЛ и эксперты рассчитывали длительность горения, рассуждая следующим образом: если доска обуглилась на глубину 20 мм, а скорость обугливания 1 мм/мин, то значит доска горела 20: 1= 20 мин.

Правомерен ли такой подход при экспертизе пожаров?

Д. Драйздейл в своей книге "Введение в динамику пожаров" указыва­ет, что зависимость скорости обугливания от теплового пока, воздействующего на древесину выражается формулой:

 

R_w = 2,2 * 10^-2* I, мм/мин,

где I - тепловой поток, воздействующий на поверхность древесины, кВт/м².

При температуре равной 1100^оС, которая достигается в отдельных зонах помещения при пожаре, излучение черного тела составляет 200 кВт/м2. В этом случае скорость обугливания R_w составит 4,4 мм/мин.

А общий диапазон колебаний R_w на пожаре в зависимости от теплово­го потока или соответствующей температуры пиролиза может составить: 0,3-4,5 мм/мин, т.е. различаться в 15 (!) раз.

Таким образом, рассчитывать длительность горения исходя из ско­рости обугливания 1 мм/мин опасно - можно ошибиться на порядок.

К сожалению, большей точности определения длительности горения визуальным осмотром и простейшими измерениями не добиться.